具有无铁芯的绕组的电的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电机（1），至少包括具有无铁芯的绕组装置（3）的初级部件（2a，2b）以及具有偶数个的磁极（8）的次级部件（7a，7b），该绕组装置包括至少两个相位（6），其中一个相位包括至少两个绕组线路（4）以及至少一个电连接部件（5），该磁极交替地布置在次级部件（7a，7b）上，其中处于初级部件（2a，2b）与次级部件（7a，7b）之间的气隙（9）中的绕组装置（3）相对于轴（10a，10b）布置在初级部件（2a，2b）上，以使得一个相位（6）的各个绕组线路（4）相对于各一个磁极（8）来布置并且能够将所有的所述磁极（8）同时用于力的产生。
【专利说明】具有无铁芯的绕组的电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有无铁芯的绕组的电机,该绕组具有能他励(fremd erregbar)的极点或能永磁激励的极点。
【背景技术】
[0002]在许多应用领域内越来越趋向于使用电机。在这种电机中的机电能量转换要么借助永磁体永磁激励地要么借助两个单独的线圈布置他励地在转子和定子中实现，正如DE69 735 825 T2中是公知的那样。然而这种能量转换存在损耗，该损耗主要由欧姆损耗、涡流损耗、磁滞损耗以及摩擦损耗组成。
[0003]高匝数的使用实现了大功率输出，然而随之也增大了欧姆损耗。越多地使用绕组材料，输出的机械功率与吸收的电功率的比例越大(在发电机运行下相反)。
[0004]通常绕组的结构通过由电机铁芯组成的转子构成的转子来实现，在该转子的槽中布置各个绕组线路或者绕着该转子的极靴缠绕有绕组线路。
[0005]其次由DE 34 017 76 Al以及DE 44 145 27 Cl已知了无铁芯的绕组结构，该绕组结构例如嵌入在硬化的合成树脂中或者以自身承载的方式来实现。
[0006]此外存在无槽的转子实施方式，例如由DE 69 407 908 T2，DE 44 145 27 Cl和DE69 735 825 T2已知了该转子实施方式。
[0007]例如由DE 41 300 16 Al, DE 120 606 7B, DE 340 177 6 Al, DE 44 145 27 Cl,
DE 69 735 825 T2已知了绕组布置在转子与定子之间的气隙中。
[0008]由于在电机的绕组中的磁场随时间变化，涡流损耗以热量的形式存在，该热量积聚在电机的铁芯部分。此时的电机部分地使用绝缘的叠片铁芯，以便降低涡流热量的传递。这种叠片的转子的制造是相对成本高的并且由不同的制造厂仅仅部分地来提供。此外越来越多地制造出永磁激励的电机，然而该永磁激励的电机不适合于异步电机。通过永久磁铁的使用成功地替代了绕组，这样的结果是降低了欧姆损耗并且提高了功率收益。
[0009]此外，由转子和定子以及绕组的形式和尺寸来确定的电机重量以及电机尺寸对于许多应用而言，特别是同样对于可移动的驱动装置应用而言具有重要意义。
【发明内容】
[0010]在这样的背景下本发明的目的在于，提供一种电机，利用该电机可以减少前述的电机的技术问题。
[0011]该目的通过根据权利要求1所述的电机以及根据从属权利要求所述的其他有利的实施方式来实现。
[0012]提出一种电机，该电机具有至少下述的构成部分:
[0013]-具有无铁芯的绕组装置的初级部件，该绕组装置包括至少两个相位，其中一个相位包括至少两个绕组线路以及至少一个电连接部件，以及
[0014]-具有偶数个磁极的次级部件，该磁极交替地布置在次级部件上。[0015]在此处于初级部件与次级部件之间的气隙中的绕组装置相对于轴布置在初级部件(2a，2b)上，以使得
[0016]-一个相位的各个绕组线路相对于各一个磁极布置并且
[0017]-能够同时将所有的磁极用于力的产生。
[0018]电机可以不仅用作旋转工作的电机而且用作平移工作的直线电机。
[0019]在概念“力的产生”下在此不仅理解为在转子电机中扭矩的产生而且理解为在直线电机中对此等效的力的产生。如果为绕组的形式的导体通电，围绕该导体将形成磁场并且例如与相对的永久磁铁相互排斥，在定子的这种情况中由此存在旋转运动。
[0020]无铁芯的绕组被理解成在导体之间不具有铁质材料的绕组。于此相反，通常的电机具有例如，带有相应地集成的绕组的槽或极靴。
[0021]有利地在这种电机中比在通常的电机中产生更小的损耗，由此可以结合高的功率密度达到更高的效率。通过相对简单的电机结构为更少积累损耗奠定基础，在该电机结构中以对导体材料和电机铁芯的更少的材料使用为基础。该电机的特征在于紧凑的轻型结构，该轻型结构特别是在移动驱动装置应用领域、例如电动车方面是值得期待的。
[0022]电机的绕组处于优选地具有无槽的表面的定子与转子电机的转子或直线电机的电枢之间的气隙中，该转子或电枢配有永磁激励的或他励的磁极。在各个绕组线路的长方形的或圆环扇面的横截面中绕组线路具有较短的边H和较长的边B，其理解成高度和宽度。
[0023]根据本发明在初级部件与次级部件之间争取达到尽可能小的气隙。因此对于绕组线路的横截面而言有利的是尽可能大的B/H比例并且由此能产生相对大的磁力。优选地B/H比例是在2至100之间，特别是优选地在4至20之间。然而在其能实现的范围内，所有的B/H组合都是可能的。
[0024]此时绕组被如此地布置在气隙中，S卩，使得较短的边H平行于磁场线的走向定向。由此达到尽管有集成的绕组仍可以实现相对小的气隙并且由此能够产生相对大的力。作为绕组材料可以考虑导体材料和合金例如铜、铝、金等等。
[0025]在本发明的一个实施方式中电机的初级部件是定子，次级部件设计为转子，轴是旋转轴并且次级部件平行于该轴布置在初级部件上。在初级和次级部件中使用的铁芯材料可以包括用于构造电机的全部材料。
[0026]根据本发明的另一个实施方式电机的初级部件是定子并且次级部件设计为电枢，轴是移动轴并且其中次级部件垂直于该轴布置在初级部件上。为此本发明不仅适用于旋转工作的电机而且适用于直线工作的电机。在两个变型中根据气隙绕组的相同的原理来实现物理结构，其中显著的区别在于定位和力产生的方向。
[0027]电机的磁极能够是永磁的或可他励的。两个变型具有其优点和缺点。永磁激励的磁极比他励的磁极在气隙中达到明显更高的磁通量，不需要外部的能量供给并且相对容易地集成在转子中。紧凑的永久磁铁具有相对大的自身重量，然而关于功率密度是具有优点的，因为电机可以设计为更紧凑的并且在其他的位置可以节省材料。
[0028]所有能使用的磁性材料例如，NdFeB，SmCo, AlNiCo, SiFeBaFe等等均可被用作为永磁材料。电磁铁与永久磁铁相比明显更便宜，然而它需要必须被附加的电流流经且该附加的电流由此利用铁芯产生磁场的线圈。
[0029]次级部件可以布置在初级部件之内或之外。这种灵活性实现了用于不同的应用领域的多种结构变型。例如特别是在直接驱动策略中外转子式电机例如，轮边电机具有极大的电势。
[0030]电机可以设计为直流电机。在此每个磁极具有η个相位，其中同时能够利用直流电压控制η-1个相位。在此磁极也可以是永磁激励的或他励的并且利用直流电压根据通用的控制方法、优选地以阻塞换向的形式来控制。
[0031]在本发明的另一个实施方式中电机可以设计为交流电机，其中能够利用交流电压控制各个相位，该交流电压互相具有< 180°的相位移。在此可以引入通用的控制方法、例如正弦换向。
[0032]这需要至少两个相位，这样布置该相位，以使得在每个永磁激励的或他励的磁极下存在各一个所有相位的绕组线路。越多地使用相位，能够越精确地控制相应的绕组线路，由此可以降低扭矩波动性。
[0033]根据本发明的电机可以不仅以电动机的工作方式运行而且以发电机的工作方式运行。
[0034]在本发明的另一个实施方式中电机的初级部件设计为薄壁的空心圆筒，优选地具有无槽的表面。该初级部件具有的优点是，少量的材料使用降低了总重量。空心圆筒的厚度必须这样确定尺寸，即由于布满的磁场线不存在铁芯材料的磁饱和。用于安装这个薄壁的空心圆筒的连接件可以通过不同的材料组合来实现，其中必须确保电机的稳定性以及热排放。
[0035]转子由电机铁芯构成并且这样来选择，即该转子具有充分的稳定性和相应的导磁性。
[0036]利用转子的叠片的已知的方法可以减少涡流损耗，其中转子的导流部分的非常简单的几何形状实现了非常简单的成本低廉的叠片式结构。
[0037]初级部件设计为实心圆柱体。在此由于制造可行性而存在局限，特别是在极小的结构系列中，出于制造技术原因转子被构造成实心圆柱体。
[0038]根据本发明初级部件具有至少一个空心圆筒区段。这种转子的构造具有的优点是，仅仅需要整个转子的极小部分。此外出于例如缺少空间、重量减少等的原因可以有利的是，不完全构成转子，而是设计成柱体扇段或空心圆筒扇段。
[0039]电连接部件以空间结构上最短的路径连接η个相邻件、即η个绕组线路，以使得在相位的相邻的绕组线路中可以实现交替的电流。交替的电流被理解为电流定向在相位的相邻的通过电连接部件来连接的绕组线路之间变换。由此所有的磁极不取决于是否该磁极是永磁激励的或他励的，该磁极同时被用于力的产生。与此相反，通用的电机虽然使用所有电极，但并不是同时使用。此外通过非常短的电连接部件使欧姆损耗保持极小并且由此提高电机的效率。
[0040]通过在初级部件和次级部件中的各一个薄壁的搭铁(Eisenrueckschluss)、通过永磁的或他励的磁极、相对小的气隙以及具有低匝数的气隙绕组来描述磁路的特征。这个磁路具有相对低的磁阻并且由此有利于产生相对大的力。
[0041]通过相对简单的参数变化、例如通过磁极对数量、相位以及类似的参数的变化可以影响转速/扭矩特征曲线。由此能够以相对简单的方式确定电机的任意的工作点。
[0042]在电机的直流控制中可以利用η-1相位、即利用未通电流的相位来测量互感系数并且该互感系数用于确定转子角的位置。可以通过测量感应的电压来将相应无电流的相位用作为位置传感器。这个传感器不仅可以数字地设计用于识别在两个相邻的磁极之间的磁极变换点，而且可以模拟地设计用于分析电动力(EMK)以及逆算转子位置。由此能够无传感器地进行转速调节、扭矩调节、电流调节或位置调节。
[0043]通过在所有极点上同时产生永磁的扭矩可以在运行根据本发明的电机时达到相对小的扭矩波动性。
[0044]在本发明的优选的实施方式中电连接部件与绕组线路连接，使得连接部件交替地布置在绕组线路的第一端部和第二端部上。优选地以回形纹的形式布置绕组线路和连接部件。
[0045]电连接部件与绕组线路连接，使得该电连接部件安装在相应的绕组线路的平面上，例如以回形纹的形式或在径向方向上、即在旋转轴上空间上布置在不同的平面χ-y，χ-ζ, y-z 上。
[0046]表明有利的是，电机具有多部分构成的绕组线路并且具有横截面，该横截面设计为长方形或圆环扇段。优选地横截面的高度H小于其宽度B，其中横截面可以分成多个部段。绕组线路的横截面的多部分结构理解为，该绕组线路由多个导体构成。
[0047]优选地横截面的高度平行于气隙中的磁场线的走向延伸，因此尽管有集成的气隙绕组仍可以实现相对小的气隙。
[0048]对于转子电机而言电机的绕组线路平行于旋转轴来取向。
[0049]对于直线电机而言电机的绕组线路垂直于移动轴来取向。
[0050]电连接部件附加地可以用于固定绕组。有利地设置，即借助电连接部件把绕组支路固定在初级部件上。
[0051]在本发明的一个改进方案中绕组线路与电连接部件一体地来构造。
[0052]同样设置，即绕组装置与初级部件一体地来构造。
[0053]具有薄壁的转子和气隙的绕组电机的总重量与通常的电机相比是相对少的，因为通常的电机具有非常大的转子，该转子配有相应的绕组槽或极靴。
[0054]根据本发明的绕组线路和电连接部件可以根据选择的材料或材料组合通过下述方法来单独地或组合地制造:
[0055]-分离方法，例如激光切割、高压喷水切割、冲压或类似的方法，
[0056]-改型方法，例如弯曲、压制、浇铸、深冲、扭转、磨削等，
[0057]-连接方法，例如焊接、粘接、钎焊等。
[0058]并且设计为单部分的或多部分的，特别是单层的或多层的。此外绕组线路和连接部件可以具有涂层，该涂层可以提高例如导电性并且例如通过喷洒、浸入、喷镀以及类似的涂层方法来涂覆。
[0059]根据本发明的电机的电阻是相对小的，因为气隙绕组具有相对大的横截面并且需要总共相对少的绕组材料。此外在各个相位的线路之间使用相对短的电连接导体。由于转子的薄壁的圆环筒比在通常的电机中使磁滞损耗下降为更少，因为需要更少的用于制造圆环筒的铁芯材料。
[0060]根据本发明的电机具有相对少的磁滞损耗、涡流损耗以及欧姆损耗，该电机的特征在于相对短的绕组连接、例如以回形纹的形式以及相对小的存在的气隙。[0061]此外该电机以非常轻的重量和相对高的功率密度而出众并且能够非常容易地制造，其中初级部件的、次级部件的、绕组装置以及磁极的尺寸能够以简单的方式被改变。
[0062]所提出的电机能够使用在目前的电机的通常的应用领域内并且可以附加地使用在新的应用领域例如电动车领域，其中本发明不局限于上述的使用可能性和材料及其组
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【专利附图】
【附图说明】
[0063]示例性地在下述的附图中示出和详细描述了本发明的实施方式。
[0064]附图示出:
[0065]图1a:示意性的是具有外转子(例如三相绕组U，V，W)的电机的结构。
[0066]图1b:示意性的是具有内转子(例如三相绕组U，V, W)的电机的结构。
[0067]图1c:示意性的是直线电机的结构。
[0068]图1d:示意性的是空心圆筒扇段的结构。
[0069]图2:示意性的是绕组相位的结构。
[0070]图3a和3b:示意性的是绕组线路的横截面。
[0071]图3c:示意性的是直线电机的磁场线的走向。
[0072]图4:是在具有永磁激励的磁极的电机中的磁场分布的断面图。
【具体实施方式】
[0073]图1a示意性地示出具有外转子的电机1，即初级部件2a和绕组装置3处于具有磁极8的次级部件的内部。在此绕组装置3由三个同样以字母“U”，“V”和“W”标出的相位6组成，其中一个相位由多个绕组线路4以及电连接部件5构成，其在图1a中未示出而由图2可知，其中一个相位6的至少一个绕组线路4处在磁极8之下在气隙9中，也就是说，绕组线路4平行于旋转轴IOa取向，由此导致可以永磁地使用全部磁极来产生扭矩8。磁极8的磁化径向于旋转轴IOa来实现并且分别在相邻的磁极8之间以交替的形式变换。初级部件2a和次级部件7a安装在共同的旋转轴IOa上。
[0074]图1b示意性地示出具有内转子的电机3，即初级部件2a和绕组装置3处于具有磁极8的次级部件7a的外部。在此绕组装置3由三个同样以字母“U”，“V”和“W”标出的相位6组成，其中一个相位由多个绕组线路4以及电连接部件5构成，其在图1b中未示出而由图2可知，其中一个相位6的至少一个绕组线路4处在磁极8之下在气隙9中，也就是说，绕组线路4平行于旋转轴IOa取向，由此导致可以永磁地使用全部磁极8来产生扭矩。磁极8的磁化径向于旋转轴IOa来实现并且分别在相邻的磁极8之间以交替的形式变换。初级部件2a和次级部件7a安装在共同的旋转轴IOa上。
[0075]图1c示意性地示出直线电机I的结构，即初级部件2b和绕组装置3位于具有磁极8的次级部件7b对面，其中初级部件2b是电枢并且没有如在图la，Ib中的转子电机的转子。磁极8的磁化径向于气隙9来实现并且分别在相邻的磁极8之间以交替的形式变换。在这个实施例中绕组装置3由三个相位U，V和W构成，其中一个相位6的各一个绕组线路4处在磁极8之下在气隙9中，绕组线路4垂直于移动轴IOb取向，由此导致，可以永磁地使用全部磁极8来产生扭矩。初级部件2b和次级部件7b安装在共同的移动轴IOb上。[0076]图1d示意性地示出具有外转子电机的初级部件2a (未示出)的空心圆筒扇段12的电机I的结构，即初级部件2a和绕组装置3处在具有磁极8的次级部件7a的内部，其中初级部件2a不是完整的空心圆筒，而是可以通过仅仅至少两个磁极8设计为空心圆筒扇段12。磁极8的磁化径向于旋转轴IOa来实现并且分别在相邻的磁极8之间以交替的形式变换。在这个实施例中绕组装置3由三个相位U，V和W构成，其中一个相位6的各一个绕组线路4处在磁极8之下在气隙9中，即处在空心圆筒扇段12上，也就是说绕组线路4平行于旋转轴IOa取向，由此导致，可以永磁地使用全部磁极8来产生扭矩。初级部件2a和次级部件7a安装在共同的旋转轴IOa上。
[0077]图2示意性地示出用于根据图1a或Ib的外转子电机或内转子电机的绕组装置3(在此未示出)的相位6的一个实例。在此可以看出，绕组线路4平行于旋转轴延伸。绕组线路4的横截面11设计为圆环扇段并且由实心材料构成。电连接部件5可以设计用于延长绕组线路4或者在径向方向上关于旋转轴IOa来安装。在电连接部件5与绕组线路4之间的连接可以利用通常的连接技术来实现或者整个相位6 —体地制造，即绕组线路4和电连接部件5由连续的导体材料构成，该导体材料以期望的形状弯曲。
[0078]图3a示意性地示出绕组线路的由实心材料构成的横截面11，其中横截面11设计为圆环扇段。在此高度H多倍地小于宽度B。
[0079]图3b示意性地示出绕组线路4的由多个部段11'组成的横截面11，该横截面具有高度H和宽度B。
[0080]图3c示意性地示出具有电枢7b的直线电机I的磁场线13的走向，该电枢具有磁极8、定子2b、绕组装置3，处于定子2b与电枢7b之间的气隙9中的该绕组装置相对于移动轴布置在定子2b 上。 [0081]图4示出在具有永磁激励的磁极8的电机中的磁场线分布的断面图，其中特别示出，即磁路分别通过相邻的磁体闭合并且为此与通常的电机相比显著地被缩短。由于短的磁路导致降低的电阻，在气隙中的磁通密度大于永磁体的剩余磁通密度。由此得出，漏磁场保持在很小程度。
[0082]参考标号表
[0083]
【权利要求】
1.一种电机(1),至少包括 -具有无铁芯的绕组装置(3)的初级部件(2a，2b)，所述绕组装置包括至少两个相位(6)，其中一个相位包括至少两个绕组线路(4)以及至少一个电连接部件(5)， -具有偶数个的磁极(8)的次级部件(7a，7b)，所述磁极交替地布置在所述次级部件(7a，7b)上，其中 -处于所述初级部件(2a，2b)与所述次级部件(7a，7b)之间的气隙(9)中的所述绕组装置(3)相对于轴(10a, 10b)布置在所述初级部件(2a，2b)上，以使得 -一个相位(6)的各个所述绕组线路(4)相对于各一个磁极(8)布置并且 -能够将所有的所述磁极(8)同时用于力的产生。
2.根据权利要求1所述的电机(1)，其中，所述初级部件是定子(2a)，所述次级部件设计为转子(7a)，所述轴(10a)是旋转轴并且所述次级部件(7a)平行于所述轴(10a)布置在所述初级部件(2a)上。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述初级部件是定子(2b)并且所述次级部件设计为电枢(7b)，所述轴(10b)是移动轴并且所述次级部件(7b)垂直于所述轴(10b)布置在所述初级部件(2b)上。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述磁极(8)是永磁的或者能他励的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述次级部件(7b)布置在所述初级部件(2a)之内或之外。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电机设计为直流电机并且每个所述磁极(8)具有η个相位(6)，其中同时能够利用直流电压控制η-1个相位。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电机设计为交流电机，其中能够利用交流电压控制各个所述相位(6)，所述交流电压互相具有< 180°的相位移。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述初级部件(2a)设计为薄壁的空心圆筒，优选地具有无槽的表面(7a)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述初级部件(2a)设计为实心圆柱体。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述初级部件(2a)具有至少一个空心圆筒区段。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电连接部件(5)与相位(6)的所述绕组线路(4)连接，以使得在相位(6)的所述绕组线路(4)之间能够产生交变的电流并且能够将所有的所述磁极(8)同时用于产生力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电连接部件(5)与所述绕组线路(4)连接，以使得所述电连接部件交替地、优选地以回形纹的形式布置在所述绕组线路的第一端部(4a)和第二端部(4b)上。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述电连接部件(5)与所述绕组线路(4)连接，以使得所述电连接部件在径向方向上空间上布置在不同的平面x_y、X-Z, y-z上。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述绕组线路(4)设计为单部分或多部分组成的并且具有横截面(11 )，所述横截面设计为长方形或圆环扇段，其中所述横截面(11)的高度(H)小于所述宽度(B)并且所述横截面(11)具有一个或多个部段(Ir )。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述横截面(11)的所述高度(H)平行于所述气隙(9)中的磁场线(13)的走向来取向。
16.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述绕组线路(4)平行于所述旋转轴(IOa)取向。
17.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述绕组线路(4)垂直于所述移动轴(IOb)取向。
18.根据前述权利 要求中任一项所述的电机，其中，所述绕组线路(4)借助所述电连接部件(5)固定在所述初级部件(2a，2b)上。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，所述绕组线路(4)与所述电连接部件(5) —体地来构造。
20.根据前述权利要求中任一项所述的电机，其中，绕组装置(3)与所述初级部件(2a，2b) 一体地来构造。
【文档编号】H02K3/32GK103931085SQ201280042122
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年2月16日 优先权日:2011年8月29日
【发明者】罗兰·卡斯帕, 沃尔夫冈·海涅曼, 诺曼·博尔夏特 申请人:马德堡欧杜凡奎力克大学